CN103986184A - 一种储能开关电感型准-z源单相光伏发电控制系统和控制方法 - Google Patents
一种储能开关电感型准-z源单相光伏发电控制系统和控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种储能开关电感型准-Z源单相光伏发电控制系统和控制办法。其中，控制系统包括控制器和储能开关电感型准-Z源逆变器；控制器包括带前馈的比例积分器PI调节直通占空比稳定光伏电池输出使其工作在最大功率点，该控制使得直流母线电压一直保持恒定；逆变器输出电流由并网交流电流内环控制，通过能量管理对储能电池进行充放电管理。本发明通过单级功率变换完成升/降压、逆变和储能，确保直流母线电压恒定、电网得到平稳功率，可最大限度地收集太阳能，改善发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种伏发电控制系统和控制方法，特别涉及一种储能开关电感型准-Z源单相光伏发电控制系统和控制方法。
背景技术
光伏发电属于新能源发电，具有广阔的前景，其主要包括离网发电系统和并网发电系统，并网光伏发电被研究和应用的较多，是发展主流。光伏逆变器连接光伏电池与负载或者电网，有效传递能量，在光伏系统中起着关键作用。
光伏发电是理想的可持续能源，对其开发利用过程中，功率变换器/逆变器必不可少。但是，一般而言，光伏电池输出电压的变化幅度可达2倍，使用传统的单级逆变器结构，将导致逆变器设计容量倍增。若采用双级结构，引入的DC/DC变换器，将增加费用，降低效率。为此，研究人员开始研究新技术，采用Z-源和准-Z源逆变器克服这些问题，因为它以单级功率变换的形式，实现传统由DC/DC和逆变器组成的双级变换功能，不会增大逆变 器容量，且在光伏发电领域与传统系统兼容。
另一方面，光伏发电功率对光照和温度依赖性很强，由于光照和温度变化无常，光伏电池输出的电压和功率宽范围变化，直接并网或独立供电会对电网或负载造成负面影响。所以，除了传统独立光伏发电系统应用储能电池的方案外，近年在并网型太阳能发电系统中也采用储能电池技术，以缓存能量，平抑并网功率。一般常用的方法，是通过双向DC/DC变换器将储能电池联接到直流侧，实现并网功率平抑功能，但是额外增加了一套DC/DC变换器，增加了系统的成本。
一般的准-Z源拓扑的输出电流的质量和升压倍数之间相互制约，在级联以及无变压器的条件下升压能力有限。光伏电池产生的功率受辐射和温度影响，所以光伏发电系统输出的功率与天气、季节相关，具有不确定性。随机波动的功率对电网有负面影响。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明主要目的是提供本发明提供了一种储能开关电感型准-Z 源单相光伏发电控制系统和控制方法。
一种储能开关电感型准-Z 源单相光伏发电控制系统，包括控制器和储能开关电感型准-Z 源逆变器；其中：所述控制器包括：第一电压电流检测单元、第二电压电流检测单元、第三电压电流检测单元、SPWM调制单元、比例积分调节器PI1和PI2、电压前馈1、电压前馈2、锁相环PLL、P-Q控制、能量管理和最大功率点跟踪单元；
所述储能开关电感型准-Z 源逆变器包括：储能电池、单相逆变器、二极管D1、二极管D2、二极管D3、开关管S5、电解电容C1、电解电容C2、电感L1、电感L2、电感L3、LC 滤波器、光伏电池、电网。
上述系统中，最大功率跟踪算法具体为：（1）检测光伏电池输出电压和电流，计算光伏电池输出功率；（2）判定光伏电池的输出功率较上次功率是增加还是减小；若增加，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点左侧按原来的扰动方向继续增大输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点右侧按原来的扰动方向继续减小输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；若减小，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点右侧改变原来的扰动方向减小输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点左侧改变原来的扰动方向增大输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；（3）依据所述最大功率点，确定最大功率点下的光伏电池输出电压。
上述系统中，所述储能电池的设计电压按照如下方式确定：根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压VPVN，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为VPN 时，所述储能电池的设计电压为(VPN+VPVN)/2。
本发明还提供一种储能开关电感型准-Z源单相光伏发电控制方法，所述方法用于控制储能开关电感型准-Z源逆变器。所述方法包括如下步骤：
步骤1：根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压VPVN，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为VPN 时，所述储能电池的设计电压为(VPN+VPVN)/2。
步骤2：预选设定期望无功功率Q*out为0。
步骤3：测量所述光伏电池的输出电压和电流，并基于所述光伏电池的输出功率进行最大功率点跟踪，确定所述光伏电池期望输出电压V*PN。
步骤4：将步骤2中光伏电池的期望输出电压减去所述光伏电池的实际输出电压，其差经过比例调节，输出所述单相逆变器的直通占空比微调量。
步骤5：利用步骤3中所述光伏电池的期望输出电压V*PN，通过前馈控制计算所述单相逆变器直通占空比预设值，并与步骤4中获取的所述直通占空比微调量相加，得到逆变器的直通占空比。
步骤6：测量所述储能电池的电压和电流，计算所述储能电池的功率。
步骤7：测量述说电网电压和输入电网电流，计算所述单相逆变器的的输出功率。
步骤8：利用步骤3中所述光伏电池的输出电压和电流，计算所述光伏电池的输出功率。
步骤9：基于步骤6所述储能电池功率、步骤7所述单相逆变器的输出功率和步骤8所述光伏电池输出功率，进行能量管理输出所述单相逆变器期望输出有功功率P*out。
步骤10：利用步骤2期望无功功率和步骤9期望输出有功功率，进行P-Q控制输出所述参考并网电流Iref。
步骤11：通过所述数字锁相环PLL锁定所述电网电压相位，并以此作为电流相位信息的参考相角。
步骤12：通过步骤10所述参考并网电流和步骤11所述电流参考相角，得到期望并网电流，并与实际并网电流做差值，再进行比例积分调节与所述电网电压前馈叠加得到参考调制波。
步骤13：将步骤5中该逆变器直通占空比和步骤12中参考调制波共同作用与SPWM，产生门驱动信号，控制单相逆变器工作。
进一步地，在上述步骤3中，所述光伏电池期望输出电压通过如下步骤确定：
步骤3-1：检测光伏电池输出电压和电流，计算光伏电池输出功率；
步骤3-2：判定光伏电池的输出功率较上次功率是增加还是减小；若增加，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点左侧按原来的扰动方向继续增大输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点右侧按原来的扰动方向继续减小输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；若减小，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点右侧改变原来的扰动方向减小输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点左侧改变原来的扰动方向增大输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；
步骤3-3：依据所述最大功率点，确定最大功率点下的光伏电池输出电压。
本发明的有益效果是：
本发明引入开关电感结构可以在级联以及无变压器的条件下提供较高的升压能力：在并网型光伏发电系统中结合储能电池，将多余电能存入储能系统，以避免电网电压上升。根据电网的需求，储能系统可以吸收光伏发电系统多余的能量，或弥补其不足。这样，在任何情况下，都可以最大限度地收集太阳能功率，实现高效率，同时确保电网得到平稳的功率，从而最小化或消除光伏发电系统对电网的负面影响。另外，储能型光伏并网发电系统还能实现一些重要的辅助功能，诸如无功补偿、电力调峰控制等，使电网更可靠。
附图说明
图1是本发明一种储能开关电感型准-Z源单相光伏发电控制系统的电路图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示本发明储能开关电感型准-Z源单相光伏发电控制系统。其中，储能开关电感型准-Z源逆变器包括：储能电池、单相逆变器、二极管D1、二极管D2、二极管D3、开关管S5、电解电容C1、电解电容C2、电感L1、电感L2、电感L3、LC 滤波器、光伏电池、电网。
对于该储能开关电感型功率变换主电路，逆变器各桥臂可以直通，使其具有升压功能，通过控制其直通占空比，控制从输入电压Vin到直流母线电压VPN的升压比，它们具有关系式：
式中D为直通占空比。改变D可以改变电容C1两端的电压，对储能电池进行充电和放电。由此可见，该功率电路以单级功率变换的形式，同时实现升/降压、逆变和储能。
该系统可以实现：1）光伏电池最大功率跟踪；2）能量削峰填谷作用，即当光伏电池提供的功率不足以电网需求时，储能电池将提供能量；当光伏电池产生的功率大于电网需求时，多余的功率将输入储能电池，进行能量存储；3）逆变并网。
如图1所示，控制器包括：第一电压电流检测单元、第二电压电流检测单元、第三电压电流检测单元、SPWM调制单元、比例积分调节器PI1和PI2、电压前馈1、电压前馈2、锁相环PLL、P-Q控制、能量管理和最大功率点跟踪单元。
能量管理根据储能电池功率、光伏电池功率和注入电网功率来决定逆变器输出功率。
1）当光伏电池功率大于注入电网功率且储能电池还能继续充电时，逆变器输出功率为注入电网功率，同时给储能电池充电。
2）当光伏电池功率大于注入电网功率且储能电池已充满时，逆变器输出功率为光伏电池功率。
3）当光伏电池功率等于注入电网功率时，逆变器输出功率等于光伏电池功率，储能电池不充电也不放电。
4）当光伏电池功率小于注入电网功率且储能电池还能继续放电时，逆变器输出功率等于注入电网功率，储能电池放电。
5）当光伏电池功率小于注入电网功率且储能电池已放电完时，逆变器输出功率等于光伏电池功率。
储能开关电感型准-Z源单相光伏发电控制方法实施例
该方法用于控制储能开关电感型准-Z源逆变器。该方法基于的硬件为图1的控制器部分，具体包括如下步骤：
步骤1：根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压VPVN，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为VPN 时，所述储能电池的设计电压为(VPN+VPVN)/2。
步骤2：预选设定期望无功功率Q*out为0。
步骤3：测量所述光伏电池的输出电压和电流，并基于所述光伏电池的输出功率进行最大功率点跟踪，确定所述光伏电池期望输出电压V*PN。
步骤4：将步骤2中光伏电池的期望输出电压减去所述光伏电池的实际输出电压，其差经过比例调节，输出所述单相逆变器的直通占空比微调量。
步骤5：利用步骤3中所述光伏电池的期望输出电压V*PN，通过前馈控制计算所述单相逆变器直通占空比预设值，并与步骤4中获取的所述直通占空比微调量相加，得到逆变器的直通占空比。
步骤6：测量所述储能电池的电压和电流，计算所述储能电池的功率。
步骤7：测量述说电网电压和输入电网电流，计算所述单相逆变器的的输出功率。
步骤8：利用步骤3中所述光伏电池的输出电压和电流，计算所述光伏电池的输出功率。
步骤9：基于步骤6所述储能电池功率、步骤7所述单相逆变器的输出功率和步骤8所述光伏电池输出功率，进行能量管理输出所述单相逆变器期望输出有功功率P*out。
步骤10：利用步骤2期望无功功率和步骤9期望输出有功功率，进行P-Q控制输出所述参考并网电流Iref。
步骤11：通过所述数字锁相环PLL锁定所述电网电压相位，并以此作为电流相位信息的参考相角。
步骤12：通过步骤10所述参考并网电流和步骤11所述电流参考相角，得到期望并网电流，并与实际并网电流做差值，再进行比例积分调节与所述电网电压前馈叠加得到参考调制波。
步骤13：将步骤5中该逆变器直通占空比和步骤12中参考调制波共同作用与SPWM，产生门驱动信号，控制单相逆变器工作。
进一步地，在上述步骤3中，所述光伏电池期望输出电压通过如下步骤确定：
步骤3-1：检测光伏电池输出电压和电流，计算光伏电池输出功率；
步骤3-2：判定光伏电池的输出功率较上次功率是增加还是减小；若增加，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点左侧按原来的扰动方向继续增大输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点右侧按原来的扰动方向继续减小输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；若减小，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点右侧改变原来的扰动方向减小输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点左侧改变原来的扰动方向增大输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；
步骤3-3：依据所述最大功率点，确定最大功率点下的光伏电池输出电压。
储能开关电感型准-Z源光伏发电控制方法与控制系统原理相似，都是通过前馈的比例积分器PI调节直通占空比稳定光伏电池输出使其工作在最大功率点，使得直流母线电压一直保持恒定；逆变器输出电流由并网交流电流内环控制，通过能量管理对储能电池进行充放电管理。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种储能开关电感型准-Z 源单相光伏发电控制系统，其特征在于包括控制器和储能开关电感型准-Z 源逆变器；其中：所述控制器包括第一电压电流检测单元、第二电压电流检测单元、第三电压电流检测单元、SPWM调制单元、比例积分调节器PI1和PI2、电压前馈1、电压前馈2、锁相环PLL、P-Q控制、能量管理和最大功率点跟踪单元，可通过带前馈的比例积分器PI调节直通占空比稳定光伏电池输出使其工作在最大功率点，使得直流母线电压一直保持恒定；所述储能开关电感型准-Z 源逆变器包括储能电池、单相逆变器、二极管D1、二极管D2、二极管D3、开关管S5、电解电容C1、电解电容C2、电感L1、电感L2、电感L3、LC 滤波器、光伏电池、电网，逆变器所输出的电流由并网交流电流内环控制，通过能量管理对储能电池进行充放电管理。
2.据权利要求1所述的光伏发电控制系统，其特征在于所述最大功率跟踪算法具体为：（1）检测光伏电池输出电压和电流，计算光伏电池输出功率；（2）获得最大功率点；（3）依据最大功率点，确定最大功率点下的光伏电池输出电压。
3.据权利要求2所述的光伏发电控制系统，其特征在于所述获得最大功率点的方法为：判定光伏电池的输出功率较上次功率是增加还是减小；若增加，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点左侧按原来的扰动方向继续增大输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点右侧按原来的扰动方向继续减小输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；若减小，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点右侧改变原来的扰动方向减小输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点左侧改变原来的扰动方向增大输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点。
4.据权利要求1所述的光伏发电控制系统，其特征在于所述储能电池的设计电压按照如下方式确定：根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压VPVN，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为VPN 时，所述储能电池的设计电压为(VPN+VPVN)/2。
5.一种储能开关电感型准-Z源单相光伏发电的控制方法，其特征在于包含如下步骤：（1）确定储能电池的设计电压；（2）预选设定期望无功功率Q*out为0；（3）确定所述光伏电池期望输出电压V*PN；（4）将步骤2中光伏电池的期望输出电压减去所述光伏电池的实际输出电压，其差经过比例调节，输出所述单相逆变器的直通占空比微调量；（5）计算逆变器的直通占空比；（6）测量所述储能电池的电压和电流，计算所述储能电池的功率；（7）测量述说电网电压和输入电网电流，计算所述单相逆变器的的输出功率；（8）利用步骤3中所述光伏电池的输出电压和电流，计算所述光伏电池的输出功率；（9）基于步骤6所述储能电池功率、步骤7所述单相逆变器的输出功率和步骤8所述光伏电池输出功率，进行能量管理输出所述单相逆变器期望输出有功功率P*out；（10）利用步骤2期望无功功率和步骤9期望输出有功功率，进行P-Q控制输出所述参考并网电流Iref；（11）通过所述数字锁相环PLL锁定所述电网电压相位，并以此作为电流相位信息的参考相角；（12）通过步骤10所述参考并网电流和步骤11所述电流参考相角，得到期望并网电流，并与实际并网电流做差值，再进行比例积分调节与所述电网电压前馈叠加得到参考调制波；（13）将步骤5中该逆变器直通占空比和步骤12中参考调制波共同作用与SPWM，产生门驱动信号，控制单相逆变器工作。
6.据权利要求5所述的光伏发电的控制方法，其特征在于所述步骤1确定储能电池设计电压的方法在于根据当地气候特点和光伏电池特点，选取光伏电池的一个标称电压VPVN，该电压为光伏电池的通常工作电压，预先设定期望的直流母线电压为VPN 时，所述储能电池的设计电压为(VPN+VPVN)/2。
7.据权利要求5所述的光伏发电的控制方法，其特征在于所述步骤3确定光伏电池期望输出电压V*PN的方法为测量所述光伏电池的输出电压和电流，并基于所述光伏电池的输出功率进行最大功率点跟踪，从而进行确定。
8.据权利要求7所述的光伏发电的控制方法，其特征在于所述步骤3中确定光伏电池期望输出电压V*PN的方法包括如下步骤：（1）检测光伏电池输出电压和电流，计算光伏电池输出功率；（2）判定光伏电池的输出功率较上次功率是增加还是减小；若增加，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点左侧按原来的扰动方向继续增大输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点右侧按原来的扰动方向继续减小输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；若减小，则判定输出电压较上次是增大还是减小，当电压增大时此刻在最大功率点右侧改变原来的扰动方向减小输出电压，当电压减小时此刻在最大功率点左侧改变原来的扰动方向增大输出电压，直到发现光伏电池输出功率开始减小，则获得最大功率点；（3）依据所述最大功率点，确定最大功率点下的光伏电池输出电压。
9.据权利要求5所述的光伏发电的控制方法，其特征在于所述步骤5得到逆变器的直通占空比的方法为：利用步骤3中所述光伏电池的期望输出电压V*PN，通过前馈控制计算所述单相逆变器直通占空比预设值，并与步骤4中获取的所述直通占空比微调量相加，即得到逆变器的直通占空比。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140813 |